FAV-ZCU/KIV ZPI/Readme.md

15 KiB
Raw Permalink Blame History

Poznámky ke zkoušce ze ZPI

  • 3 základní prvky IoT architektury
    • zařízení
    • síť
    • Cloud
  • komunikační technologie vhodné pro IoT:
    • Wifi, Bluetooth, BLE (Bluetooth Low Energy), LoRa
    • LPWAN (Low Energy Wide Area Network): LoraWAN, Sigfox, Zigbee apod.
  • Klíčové faktory komunikačních technologií:
    • přenosová rychlost
    • spotřeba energie
    • dosah
    • frekvence

Věc

  • obvykle se skládá z:
    • senzorů
    • mikropočítače / mikrokontroléru
    • komunikačního modulu
  • senzor
    • zdroj informací pro měřicí nebo řídicí systém
    • je určen ke sledování stavu prostředí
    • snímá fyzikální veličinu ve svém okolí (= vždy má fyzikální princip)
    • druhy senzorů:
      • pasivní / aktivní
      • dotykové a bezdotykové senzory

Mikrokontrolér

  • získává data ze senzorů
  • zpracovává data
  • odesílá data do cloudu
  • Základní architektury
  • mikroprocesor doplněný o další obvody k řízení elektroniky
  • Harvardská architektura
    • použití => účelové počítače
    • oddělený paměťový prostor pro data a program umožňuje vyšší rychlost zpracování
  • Von Neumannova architektura
    • použití => univerzální počítače
    • společný prostor pro data i program
  • Podle šířky datové sběrnice se µC dělí na:
    • 8 bitové
    • 16 bitové
    • 32 bitové

Piny mikrokontroléru

  • GPIO, ADC, DAC, SPI, I2C, UART, PWM

Programování mikrokontrolerů

  • jazyky nízké úrovně strojový kód, assembler
  • vyšší programovací jazyky - základní příkazy jsou nezávislé na µC, vyžadují překladač nebo interpretr
    • základní jazyk pro programování mikrokontrolerů C/C++, popř. jazyky z nich odvozené (Wiring Arduino)
    • Mbed platforma
    • výkonnější µC mohou využívat micro-Python
  • 2 typy překladačů:
    • interpretační
    • kompilační

Vývojová prostředí pro µC

  • Arduino, ESP32, Nucleo, Micro:bit
  • univerzální vývojové IDE
    • VisualStudio Code, Platforma Mbed

Struktura programu pro mikrokontrolér

  • inicializační část
    • Nastavení pinů µC, komunikační rychlosti, definice proměnných programu, definice podprogramů pro obsluhu přerušení, inicializace časovačů apod.
  • výkonná část
    • Hlavní program µC test vstupních pinů, čtení dat ze senzorů, nastavení výstupních pinů, komunikace s okolím apod.

Jednoduchý program pro M5Stack

  • Zobrazení textu na obrazovce
    • from m5stack import lcd
    • lcd.clear()
    • lcd.print('Hello World',100,100, lcd.WHITE)

Typový systém

  • Dynamický
    • datový typ proměnné nemusíme definovat => datový typ se automatický mění
  • Statický
    • musíme definovat typ proměnné a tento typ je dále neměnný

Proměnná, identifikátor, typy proměnných

  • Proměnná objekt ve kterém jsou uložena data
    • identifikátor - název proměnné
  • základní datové typy:
    • int, float, str, bool

Přiřazovací příkaz

  • identifikátor = výraz
  • výraz může obsahovat:
    • matematické operátory
    • logické operátory
    • relační operátory
  • výraz se vyhodnocuje zleva do prava podle priority
    • prioritu operací lze měnit závorkami ()

Výpis hodnoty proměnné

  • print(object(s), sep=separator, end=end)

Větvení

  • if podmínka:
    • blok příkazů
  • další příkaz
  • if podmínka:
    • blok příkazů
  • else:
    • blok příkazů
  • další příkaz
  • if podmínka:
    • blok příkazů
  • elif podmínka:
    • blok příkazů
  • else:
    • blok příkazů
  • další příkaz

Cykly

  • S pevným počtem opakování:
    • for proměnná in posloupnost:
      • blok příkazů
    • další příkaz
    • for i in range(5):
  • S ukončovací podmínkou:
    • while logická_podmínka:
      • blok příkazů
    • další příkaz

Funkce v Pythonu

  • procedura - funkce, která nic nevrací
  • definice funkce:
    • def jméno_funkce(a,b,c):
      • blok příkazů
    • return res
  • volání funkce:
    • příkazy
    • p=jméno_funkce(3,7,10)
    • příkazy

Balíčky, moduly, import

  • balíček = knihovna funkcí, které spolu nějakým způsobem souvisí, může být členěn do modulů
    • Balíček může obsahovat konstanty, funkce, datové typy
  • Modul soubor funkcí

Import balíčku a jeho částí

  • import jméno_balíčku
  • Přístup k funkcím přes tečkovou notaci
  • import jméno_balíčku as xx
  • from jméno_balíčku import jméno
    • Z balíčku se importuje pouze modul (nebo funkce) jméno
  • from jméno_balíčku import *
    • Z balíčku se importují všechny moduly

Výpis obsahu balíčku

  • import jméno_balíčku
  • dir(jméno_balíčku)

GPIO (General Purpose Input Output)

  • mohou být nastaveny jako vstupní nebo jako výstupní
  • Nastavení pinů se provádí před hlavním cyklem mikrokontroleru ( while True: ) (např. u arduina ve funkci void setup() )
  • Ovládání pinů je obsaženo v modulu machine, který je u M5Stack součástí balíčku m5stack
  • nastavení Pinu pro výstup:
    • import m5stack
    • pin26= machine.Pin(26,machine.Pin.OUT)
    • pin26.on() # výstup v úrovni 1
    • Pin26.off() # výstup v úrovni 0
  • U výstupního pinu musíme dát pozor, aby pinem netekl větší proud
  • nastavení Pinu pro vstup:
    • import m5stack
    • pin26= machine.Pin(26,machine.Pin.IN,machine.Pin.PULL_UP)
    • print(pin26.value())

Obsluha tlačítek u M5Stack Fire

  • 3 tlačítka , která mají v API přiřazena jména btnA, btnB, btnC
  • funkce pro práci s tlačítky:
    • isPressed(), wasPressed(), isReleased(), wasReleased(), pressFor(delay), wasDoublePress()

Přerušení vs pooling

  • pooling
    • mikrokontrolér cyklicky testuje zda mají senzory připravená data
  • přerušení
    • reakce mikrokontroléru na asynchronní událost
    • pokud má senzor připravená data „vyzve procesor“ k jejich zpracování
    • procesor může mezi událostmi zpracovávat jinou část programu nebo může „spát“

MicroPython vs. Python

  • Micropython je redukovaná implementovaná verze interpreteru jazyka Python 3
  • od klasického Pythonu se liší pouze množstvím knihoven (modulů) některé chybí, některé jsou naopak přidány

LCD - API

  • Soubor funkcí, které pracují s obrazovkou
  • from m5stack import lcd
  • barvy => lcd.BLACK, WHITE, ...
  • fonty => lcd.FONT_Default, , FONT_Ubuntu
  • lcd.clear([color])
  • lcd.print(text [,x,y, color, …])
  • lcd.fontSize()

Seznamy v micropythonu

  • seznam je heterogenní datová struktura => lze do ní ukládat proměnné různých datových typů
  • prázdný seznam: seznam = []
  • vytvoření proměnné x typu seznam, obsahující prvky: x=[1.5, 3, text]
  • délka seznamu: ````delka = len(x)```
  • procházení seznamu: for i in x:
  • vložení prvku na konec: x.append(val)
  • vložení prvku na index: x.insert(index, val)
  • smazání prvku podle hodnoty: x.remove(val)
  • smazání prvku podle indexu: x.pop(index)

IMU (Inertial Measurement Unit)

  • měří polohu a orientaci objektu obvykle je složený z akcelerometru a gyroskopu, někdy s magnetometrem

Časovače

  • čítač, který používá taktovací signál
  • použití (např.):
    • generování periodických impulsů
    • PWM (pulsně šířková modulace)
  • U ESP32 jsou k dispozici 4 hardwarové časovače
  • Micropython:
    • Pro práci s časovači se používá třída machine.Timer
    • Nastavení parametrů časovače:
      • from machine import Timer
      • tim0=Timer(0)
      • tim0.init(period=2000,mode=Timer.PERIODIC,callback=tim_callback)
    • Timer.ONE_SHOT / Timer.PERIODIC
    • obslužná rutina přerušení časovače:
      • def tim_callback(timer):
        • global i
        • lcd.clear()
        • lcd.print(i,100,100,lcd.RED)
        • i=i+1
    • ukončení časovače: tim0.deinit()

A/D (analog/digital) převodníky

  • Převádí spojitou hodnotu napětí na číslicovou reprezentaci
  • Základní charakteristiky:
    • Počet kvantizačních úrovní
    • Kvantizační krok
    • Souměrnost
    • Typ převodníku
    • Rozsah vstupního napětí

Typy převodníků

  • Paralelní (flash) převodník
    • Princip: Vstupní napětí Vin se porovnává komparátory s referenčním napětím na napěťovém děliči. Výstup komparátorů je kódován do binární podoby.
    • +: rychlý převod (převod se provádí paralelně) -: vyšší spotřeba, drahé
  • Převodník s následnou aproximací (SAR)
    • tři bloky:
      • SAR (successive aproximation register) registr postupné aproximace
      • komparátor
      • D/A převodník
    • Tento typ převodníku se používá u většiny mikrokontrolerů
  • Sigma-delta převodní
    • moderní typ převodníku, dosahuje vysokého rozlišení (16-24 bit) za relativně nízkou cenu
    • jednoduchý hardware
    • složitý software
    • jádrem převodníku je integrátor a komparátor

Použití ADC převodníku na ESP32

  • obecně 2 dostupné ADC převodníky
  • V micropythonu na ESP32 je modul ADC pro převod součástí knihovny machine
  • import modulu a vytvoření objektu adc s nastavením pinu na kterém je převodník:
    • from machine import ADC, Pin
    • adc=ADC(Pin(36))
  • Čtení hodnoty převodníku do proměnné xx: xx=adc.read()
  • Změna parametrů převodu:
    • ADC.atten(attenuation)
    • ADC.width(width)

D/A (digital/analog) převodníky

  • Převádí číslicovou reprezentaci na analogový signál
  • Charakteristiky:
    • Rozsah výstupního napětí (u ESP32 - 0-3.3V)
    • Počet kvantizačních úrovní (počet bitů) (u ESP32 je 8 bitový DAC tj. lze zadat číslo v rozsahu 0-255)
  • Typy převodníků:
    • přímé
      • vstupní datové slovo je přímo převedeno na výstupní napětí (proud)
    • nepřímé

D/A nepřímý převodník

  • U nepřímých převodníků pomocná veličina je impulz
    • převodníky s pulzně šířkovou modulací (PWM)

Použití DAC převodníku na ESP32

  • Obecně jsou na ESP32 dostupné 2 převodníky
  • Převodník je 8 bit (255 úrovní) a vstupní rozsah napětí je 0-3.3V
  • Použití:
    • generátor funkcí
    • v kombinaci s ADC jako digitální signálový procesor
  • V micropythonu na ESP32 je modul DAC pro převod součástí knihovny machine
  • Aktivace modulu a vytvoření objektu dac s nastavením pinu na kterém je převodník
    • from machine import DAC, Pin
    • dac=DAC(Pin(26))
  • Převod číslicové hodnoty xxx na analogové napětí
    • dac.write(xxx)

PWM Pulse Width Modulation

  • Jedná se o způsob, jak uměle získat analogové napětí na digitálním pinu
  • rychlým přepínáním digitálního pinu z úrovně H do úrovně L a naopak
  • PWM je charakterizováno základní frekvencí změny úrovně a tzv. střídou (duty cycle) což je poměr mezi tím, jak dlouho je signál v úrovni H oproti úrovni L v rámci jedné periody (střída 50% značí že doba v úrovni H je stejná jako v úrovni L)
  • U ESP32 => lze použít PWM na všech pinech, které lze nastavit jako výstupní
  • Použití:
    • Řízení rychlosti motorů
    • Stmívání LED
    • Řízení servomotorů apod.
  • V micropythonu na ESP32 je modul PWM součástí knihovny machine
  • Aktivace modulu a vytvoření objektu pwm0 s nastavením pinu na kterém bude PWM použito
    • from machine import PWM, Pin
    • pwm0=PWM(Pin(26))
    • Pwm0=PWM(Pin(26),freq=1000,duty=200)
  • Zjištění základní frekvence, nastavení základní frekvence PWM na 1000 Hz
    • print(pwm0.freq())
    • pwm0.freq(1000)
  • Zjištění duty-cycle a nastavení duty-cycle
    • print(pwm0.duty())
    • pwm0.duty(200)
  • Ukončení práce s PWM
    • pwm0.deinit()

Co je Mbed

  • Mbed OS je operační systém s otevřeným zdrojovým kódem a vývojový nástroj pro platformy využívající mikrokontroléry
  • Platforma Mbed je postavena na jazyku C/C++
  • Mbed OS obsahuje ovladače pro mnoho různých hardware:
    • moduly, desky, komponenty

Mikrokontrolery ARM

  • 32 bitová architektura typu RISC
  • velmi často využíván v mobilních odvětvích
  • ARM1 (1984), aktuální ARM11

Vývoj aplikací v Mbed

  • 3 možnosti vývoje aplikace:
      1. Online překladač
      1. Mbed Studio
      1. PlatformIO

Struktura programu v Mbed

  • #include <mbed.h>
  • // deklarace globálních proměnných
  • void main() {
    • // deklarace lokálních proměnných
  • while (1) {
    • }
  • }

UART/USART

  • jednoduchá komunikační linka mezi dvěma zařízeními
  • asynchronní plně duplexní komunikace
  • někdy se používá USART => podporuje i synchronní verzi
  • typické parametry - 8/N/1 - bity se přenáší od LSB k MSB
  • Propojení modulů vždy „křížem“

UART konfigurace a použití

  • Micropython:
    • Pro práci s UART se používá třída machine.UART
  • Práce s UART:
    • Vytvoření objektu uart2 typu UART
      • from machine import UART
      • uart2=UART(2)
      • Uartx=UART(id, tx=číslo_pinu,rx=číslo_pinu)
    • Nastavení parametrů komunikace
      • uart2.init(baudrate=9600,bits=8,parity=None,stop=1)
    • Komunikace (u ESP32 lze použít pouze metodu „pooling“)
      • uart.any()
      • xxx=uart.read()
      • xxx=uart.read(n)
      • xxx=uart.readln()
      • uart.write(txt)
    • Ukončení činnosti sériového rozhraní
      • uart2.deinit()

Bluetooth komunikace M5stack

  • M5stack micropython API nepodporuje bluetooth komunikaci
  • Lze to vyřešit použitím BT-UART modulů
  • POZOR!!!! Moduly jsou sice napájeny 3-6V, ale RX a TX piny nejsou 5V tolerant
  • BT modul se konfiguruje AT příkazy

I²C (Inter- Integrated Circuit)

  • synchronní poloduplexní komunikace (= jeden vodič pro data a jeden vodič pro taktovací signál)
  • používá se pro připojení nízkorychlostních zařízení
  • Zařízení typu master zahajuje a ukončuje komunikaci, adresuje zařízení slave se kterým chce komunikovat a generuje hodinový signál SCL
  • Zařízení slave je adresované masterem, obvykle poskytuje data

I²C konfigurace a použití

  • Micropython:
    • Pro práci s I²C se používá třída machine.I2C
  • Práce s UART:
    • Vytvoření objektu i2c typu I2C
      • from machine import I2C
      • i2c=I2C(1,sda=21, scl=22[,freq=400000])
    • hledání adres zařízení
      • lst=i2c.scan()